2019年, 第30卷, 第24期　
刊出日期：2019-12-25

  

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机械基础工程
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  单回路保护阀密封圈表界面黏附特性

  倪敬, 史雨, 蒙臻, 黄浩锋

  中国机械工程. 2019, 30(24): 2899-2905. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.24.001

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  针对单回路保护阀密封圈（硫化于阀芯上）在阀芯开启过程中体现的复杂表界面黏附特性，搭建了具体黏附力检测试验台，研究了密封圈和金属端面（阀套）在不同预压力、不同预压时间和不同分离速度时分离过程的表界面黏附力变化规律。结果表明：两表界面的分离速度对黏附力峰值的影响最为显著，预压力的影响最小；当分离速度由0.25 mm/s增至2 mm/s时，黏附力峰值最大增幅为404.7%；预压力由80 N增至120 N时，黏附力峰值最大增幅仅8.5%。根据密封圈和金属端面表界面黏附及脱离过程的高速显微镜观察结果分析，产生这一结果原因在于：两表界面在分离过程中受密封圈自身黏弹性性质影响，其真实接触面积呈时域非线性特性。
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  服役破损叶片的曲面重构及刀路生成方法

  赵旭升, 杨建中, 陈吉红, Alexander FRADKOV, Oleg GRANICHIN, 胡鹏程

  中国机械工程. 2019, 30(24): 2906-2915,2924. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.24.002

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  针对常见的边缘破损叶片和顶端破损叶片，研究了其修复加工过程中的破损区域几何重构与刀路生成的方法。利用测量数据点排序、调整，构造叶片截面曲线，采用能量最小化原理对截面曲线进行光顺处理，并提出一种依据曲率将截面曲线对齐的方法。提出了一种基于放样建模的叶片模型几何重构方法，并针对边缘破损叶片与顶端破损叶片，提取破损区域并分别给出zigzag形加工刀路与螺旋形加工刀路的生成方法。不同方法重建叶片曲面质量的对比表明，所提方法能保证曲面的高斯曲率且更贴近其真实变形，验证了所提刀路生成方法的可行性。
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  基于参数反求的齿轮裂纹时变啮合刚度计算方法

  吴家腾, 杨宇, 程军圣

  中国机械工程. 2019, 30(24): 2916-2924. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.24.003

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  基于齿根应变测试技术和优化理论提出了齿轮时变啮合刚度反求计算方法，并将其应用于齿轮故障机理研究。构建了齿根动态应力与时变啮合刚度反问题模型，并搭建齿轮裂纹故障应变测试实验台来采集齿根应变；建立了相对应的有限元模型并将计算应变与测量应变代入反问题模型，从而实现齿轮啮合刚度的反向求解。计算结果表明，相比解析法和有限元法，所提方法显著提高了求解精度并且具备更高的可靠性。建立了齿根裂纹故障的齿轮系统动力学模型，通过对动力学响应进行时域及频域分析来揭示齿轮裂纹故障机理。
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  软固结磨粒群剪胀效应及材料去除特性分析

  郑倩倩, 曾晰, 计时鸣, 邱磊, 石梦, 郗枫飞, 邱文彬

  中国机械工程. 2019, 30(24): 2925-2933. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.24.004

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  针对软固结磨粒群气压砂轮复杂曲面精密加工问题，提出了一种软固结磨粒群剪胀分析模型，并以微观视角为切入点研究气压砂轮软固结磨粒群的微观剪胀效应对被加工件材料去除特性的影响规律。基于磨粒群剪胀效应分析，建立了孔隙率与黏结磨粒系统阻尼系数的数学模型，结合孔隙比与平均应力的关系，推导了磨粒群作用接触面的应力方程，建立了发软固结磨粒群材料去除模型。通过PFC3D仿真和力传感器测力设备验证了剪胀效应对接触力的影响规律。光整加工试验结果表明，可根据剪胀效应的规律来提高黏结剂阻尼系数从而提高曲面模具材料的去除效果，相同加工时间内，阻尼系数提高约5.0×10⁵，材料去除量累计提高近31.91%，曲面模具的粗糙度降低近32.34%，工件划痕明显减少。
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  振动铸轧细晶对板带氢脆敏感性的影响机理

  孙明翰, 李凌霄, 范美辰, 郭仕鹏, 杜凤山

  中国机械工程. 2019, 30(24): 2934-2938,2952. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.24.005

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  研究了振动铸轧的细晶作用对板带氢脆敏感性的影响，在电化学充氢后对振动铸轧与传统铸轧的板坯进行了慢应变拉伸实验，以评价其氢脆敏感性。结果表明，振动铸轧能使铸轧板坯的氢脆敏感性大幅下降。根据振动铸轧板坯与传统铸轧板坯的实际晶粒尺寸构建了晶体塑性有限元模型，对不同晶粒度板坯的氢扩散过程进行数值模拟。研究发现，晶粒细化能够显著减小表观氢扩散系数，在相同临氢环境下减小可扩散氢含量。
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  粗颗粒海底矿石浆体提升电泵研究

  邹伟生, 刘瑞仙, 刘少军

  中国机械工程. 2019, 30(24): 2939-2944. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.24.006

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  基于N-S方程和标准k-ε湍流模型，提出了适用于深海采矿的粗颗粒高扬程提升电泵的优化设计方法，该方法由泵结构参数的优化设计、流动分析、特性预测和反求修正设计四部分构成。应用该方法进行了我国深海多金属结核采矿海试系统八级提升电泵的优化设计、流动分析与特性预测，将该八级提升电泵仿真模拟结果与我国研制的首台两级提升电泵实验结果进行对比，表明该泵能获得较好的工作特性指标，满足多金属结核采矿海试系统的要求，其单级扬程和效率有较大的提高，说明该优化设计方法是合理可行的。
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  环形桁架天线展开动力学分析

  任伟峰, 何柏岩, 聂锐

  中国机械工程. 2019, 30(24): 2945-2952. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.24.007

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  基于Lagrange动力学方程，考虑天线系统动能、索网弹性势能、重力势能及系统耗散能等，建立了环形桁架天线展开过程的动力学模型。根据构建的动力学模型，给定预设驱动，对其进行正动力学分析，对天线的完整展开过程进行仿真分析。扭簧和电机拉动绳索联合驱动实现了天线的展开，研究了扭簧驱动及电机拉动绳索驱动的参数变化对天线展开过程的影响。研究结果可为天线的展开过程提供指导。
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  近壁面超声空化微射流对微细颗粒的破碎作用

  孙毅, 黄韶炜, 毛亚郎, 祝利豪

  中国机械工程. 2019, 30(24): 2953-2960. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.24.008

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  针对微细粉体"团聚"导致粉磨极限的问题，在液相环境下利用超声的分散和空化冲击作用，开展了近壁面超声空化微射流对微细颗粒破碎作用的研究。通过理论计算空化微射流冲击微细颗粒破碎的有效作用范围，从空化泡溃灭速度的角度分析了超声频率、声压幅值、介质尺寸等主要参数对微射流强度的影响；结合物料质量浓度、介质尺寸、介质面积和功率等影响因素的微细颗粒超声空化破碎正交试验，并利用SEM观测粉体形貌，分析了颗粒中位粒径D₅₀、10%体积累积粒径D₁₀和比表面积（SSA）等分布特性。参数组合优化后获得了粒径小于800目的微细颗粒，破碎率高达79.35%；粒径大于10 000目的极细颗粒产率高达12.84%。从提高微细颗粒破碎率的角度，发现介质面积是主要影响因素，功率次之，其次为介质尺寸和物料质量浓度。试验结果与理论研究成果基本一致，表明优化超声空化微射流参数与增加介质壁面面积等方法可有效提高微细颗粒的破碎率。
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  一种滑动轴承油膜性能计算的动网格方法

  吴超, 尹雪梅, 李蒙蒙, 李奕君, 王文

  中国机械工程. 2019, 30(24): 2961-2967. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.24.009

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  针对应用动网格方法计算油膜轴承性能时出现网格扭曲而导致累计误差过大的现象，提出了一种基于计算流体动力学（CFD）的滑动轴承油膜性能计算的动网格更新方法。该方法保证了网格更新过程中膜厚方向的网格线沿圆周方向上等均分布，且始终垂直于轴颈表面，网格不发生扭曲变形，减小了计算累计误差，提高了轴承性能计算的准确性。通过与典型算例和实验结果对比，验证了所提方法在轴承的油膜力和转子静平衡位置计算中的有效性、可行性和稳定性，并利用该方法分析了进油压力和载荷对油膜轴承所支撑转子静平衡位置的影响。该方法可为准确计算油膜轴承转子系统的性能提供参考。
智能制造
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  钢坯拉速模糊信息粒化及钢坯定重切割的极限学习机预报

  王福斌, 潘兴辰, 孙宇舸, 郭宝军

  中国机械工程. 2019, 30(24): 2968-2973. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.24.010

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  为提高钢坯定重切割精度，分析了钢坯质量与钢坯平均拉速间的关联性。建立了钢坯拉速数据的模糊信息粒化模型，将每5根钢坯的平均拉速数据变换为一个三角型模糊粒，得到模糊粒子中的3个参数：钢坯平均拉速变化的最小值v_Low、均值v_mid和最大值v_up，降低钢坯拉速数据的复杂度，得到含不同信息的拉速数据粒化子集。建立了基于信息粒化数据的支持向量机（SVM）回归模型，以模糊粒子参数为输入向量对钢坯平均拉速进行回归预测，得到下一根钢坯的平均拉速预测值。综合考虑钢坯截面积、钢坯平均拉速、定尺长度、下一根钢坯平均拉速预测值等影响因素，建立了极限学习机（ELM）神经网络预报模型，实现了钢坯定重预报。
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  基于BP神经网络的冗余机械臂逆运动学分析

  刘世平, 曹俊峰, 孙涛, 胡江波, 付艳, 张帅, 李世其

  中国机械工程. 2019, 30(24): 2974-2977,2985. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.24.011

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  常见的七自由度冗余机械臂逆运动学解法较为繁杂，且对不同构型机械臂的逆运动学解法通用性较差。为了找到一种通用的七自由度机械臂逆运动学求解方法，建立了神经网络模型，选择了合适的激励函数、隐藏层神经元数量、神经网络层数和学习速率等模型参数。设计轨迹跟踪实验对神经网络模型进行验证，实验数据证明该方法有效且精度较高，是一种可行的冗余机械臂逆运动学求解方法。
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  一种滚动密封式爬壁机器人动力学建模与分析

  秦基伟, 常勇, 袁兵兵, 付兴伟, 王天龙

  中国机械工程. 2019, 30(24): 2978-2985. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.24.012

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  介绍了一种滚动密封式爬壁机器人，分析了其密封与运动机理。提出了一种多履带协调运动的爬壁机器人动力学建模方法，推导出该机器人直线运动及转向动力学方程。建立了直线运动及转向时履带牵引力与机器人姿态角之间的关系，分别计算出采用滑动密封和滚动密封方式的机器人在运动过程中的摩擦阻力并进行了比较分析。仿真和样机实验表明该爬壁机器人可沿壁面行走与越障，具有摩擦阻力小、负载能力大及对壁面适应性强等特点。
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  考虑关节固体润滑的在轨装配机械臂振动特性及优化控制

  秦利, 徐智颖, 刘福才, 徐继龙

  中国机械工程. 2019, 30(24): 2986-2993,3003. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.24.013

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  面向大型空间结构在轨装配任务的空间机械臂对末端动态性能有很高要求。基于半物理仿真试验修正关节接触力，建立了考虑固体润滑特性的含关节轴向尺寸和间隙的机械臂动力学模型。通过仿真研究机械臂在不同结构参数与工况参数时重力及重力释放下径向振动特性的差异，并针对在轨装配过程中频繁启停的操作需求，分析变负载启停时的振动特性，以改善动态性能为目标，给出了优化控制方法。
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  考虑节能的改进多目标樽海鞘群算法TFT-LCD面板阵列制程调度问题

  姚远远, 叶春明

  中国机械工程. 2019, 30(24): 2994-3003. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.24.014

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  TFT-LCD面板生产的阵列制程是可重入混合流水车间调度问题，采用一种改进多目标樽海鞘群算法对其进行优化求解。构建以最大完工时间、总拖期时间和总耗能为优化目标的数学规划模型；针对该问题结构特点，对基本多目标樽海鞘群算法进行了一系列改进操作，包括基于升序排列的随机键编码、PS方法解码、基于Lévy飞行的领导者个体位置更新方式，以及外部档案中非支配个体的变邻域搜索操作，并采用田口方法进行算法参数设置；最后通过对基准算例的数值实验，将改进多目标樽海鞘群算法与基本多目标樽海鞘群算法、多目标粒子群优化算法、快速非支配排序遗传算法进行对比，实验结果表明了改进多目标樽海鞘群算法的有效性。
工程前沿
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  非接触式电磁加载水润滑轴承监测系统

  王楠, 杨利涛, 梁应选, 王鹏, 岳晓奎

  中国机械工程. 2019, 30(24): 3004-3009. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.24.015

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  在水润滑轴承试验研究中，传统机械或液压等接触式加载方式存在振动、噪声、发热与摩擦磨损等问题，另外，监测系统特别是软件功能还不完善，影响轴系稳定运行与测试结果准确性。针对上述问题，设计了非接触式电磁加载装置（电磁加载力大小及角度均可调节），并基于LabVIEW开发了水润滑轴承监测系统；应用该系统对水润滑橡胶轴承进行水膜压力测试试验，并将试验结果与仿真结果进行对比，结果表明，系统运行稳定，测试数据可靠，实用效果良好。
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  小井眼开窗侧钻用高抗弯钻具接头性能分析与结构参数优化

  况雨春, 陈永龙, 闵桃源

  中国机械工程. 2019, 30(24): 3010-3017. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.24.016

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  随着小井眼开窗侧钻技术的广泛应用，由井下弯曲段引起的钻具接头失效问题日益突出。为解决因弯曲载荷造成钻具接头变形失效的问题，根据弹塑性力学理论及中心管材料本构模型试验研究结果，建立了钻具接头螺纹连接的三维有限元模型，研究了弯曲载荷作用下钻具接头连接强度和密封性能，并通过胀扣试验验证了有限元分析结果的可靠性。在此基础上利用正交优化方法，对其关键结构参数进行优化，获得了钻具接头较优参数组合，对比计算了API钻具接头与高抗弯钻具接头力学性能。结果表明，优化后的连接螺纹在抗拉/压、扭矩及弯曲方面性能均优于API螺纹，能更好地满足小井眼开窗侧钻的钻井要求。
争鸣与反思
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  读《欧洲工业的未来——欧洲制造业2030》看中国制造业

  谢友柏

  中国机械工程. 2019, 30(24): 3018-3023. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.24.017

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  讨论了阅读国外有关政策方面的文献或书籍时应有的态度，例如《欧洲工业的未来——欧洲制造业2030》（简称《欧制2030》），需将研究对象看成是一个物理-心理-社会系统（PPSS），而不是现在比较时兴的一个信息-物理系统（CPS）。《欧制2030》谈到了欧洲制造业的愿景，但它涉及的不是制造业整体，而是寻求因产品的生产转移到不发达国家而产生的失业和收支不平衡问题的解决方案。中国制造业不是同样的问题，中国制造业从新中国成立开始，经历了两次大规模的转型发展，现在正面临第3次转型。中国制造业的根本问题是设计竞争力不够，而设计竞争力的基础是知识。面对数字化时代大发展，欧洲在对制造业的知识供给方面有丰富的经验，而中国却始终未能将知识供给和制造业的设计竞争力紧密联系起来。分析了知识供给和知识高效运用在数字化时代可能的发展模式，这是中国制造业弯道超车的机会。